韩帅月， 刘志奇， 王少川

(太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原 030024)

引言

流体点胶技术是微电子封装中的一项关键技术，可以构造形成点、线、面及各种图形，大量应用于芯片固定、封装倒扣和芯片涂敷。这项技术以受控的方式对流体进行精确分配，可将理想大小的流体转移到工件(芯片、电子元件等)的合适位置，以实现元器件之间机械或电气的连接。电子封装胶液分配过程要求点胶系统操作性能好、点胶速度快且点出的胶点一致性好和精度高[1-3]。在接触型流体点胶技术中，根据点胶头的驱动源差别可分为：时间/压力法点胶、活塞泵法点胶和螺杆泵法点胶[4-6]，目前市面上普遍采用螺杆泵点胶。螺杆泵点胶输送平稳，在针对含有固体颗粒的胶液时有明显的优势，精密伺服电机的使用使得螺杆泵式点胶头的点胶精度也比较高[7-8]。点胶螺杆泵结构如图1所示，胶液从供胶设备进入泵的吸入腔，伺服电机轴的转速和扭矩通过联轴器、连接轴和传动轴传动传递给转子，引起转子的偏心转动，胶液被转子带到螺杆泵的排出腔，并从点胶针头中压出。

目前国内外已有不少的螺杆泵点胶的相关设备推出，关于点胶螺杆泵的研究也各有侧重。德国Viscotec公司旗下eco-PEN系列精密螺杆点胶泵直径最大40 mm，流量范围为0.12～60 mL/min，最小输送量达到0.001 mL，点胶准确率为98%，重复率达到99%。CHEN[9]开发了旋转螺杆分配过程中的流速模型，通过实验验证了模型的有效性，并研究了不同转速下，压力、温度、胶液物理特性等对螺杆点胶工艺性能的影响。NGUYEN T等[10]基于对介质黏度、泵的转速以及压差的研究开发了一种模型来预测螺杆泵的性能。El-Abd[11]开发了一个结构化网格生成程序以便对螺杆泵的进行有效的数值模拟，研究了定子间距、间隙等对螺杆泵容积效率的影响。刘洋[12]分析了转速、胶液黏度，以及定转子配合间隙对精密螺杆点胶泵点胶精度的影响规律。王亚秋[13]对螺杆泵内部流场进行了二维平面仿真，研究了转速和黏度对泵工作性能的影响。前人已经对螺杆泵的性能进行了大量的研究，然而在螺杆泵结构参数上的研究不够深入，尤其螺杆泵用于点胶方向时的相关研究少之又少。

1.机座 2.联轴器 3.连接轴 4.传动轴 5.转子6.橡胶定子套 7.轴封 8.进料孔 9.点胶头图1 点胶螺杆泵Fig.1 Dispensing screw pumps

本研究基于单螺杆泵的运动学特性建立边界条件，采用三维计算流体力学软件对高精密点胶螺杆泵流场模型进行数值分析，最终得到使螺杆泵性能较优的T/D，T/e区间以及适配的转速区间。

1 高精密点胶螺杆泵仿真模型

1.1 三维模型

根据实际的工作情况,以点胶量为3.6×10-4m3/h作为设计的初始要求，根据螺杆泵的经验设计公式选择点胶螺杆泵的主要参数。单螺杆泵的流量公式为：

Q=480TeDnηv

(1)

式中，D—— 转子截面直径，mm

T—— 定子螺距，mm

e—— 泵偏心距，mm

n—— 泵转速，r/min

ηv—— 泵容积效率,%

在本例中，先选取：T/e=20，T/D=3，ηv=0.8，n=150 r/min，计算得到的螺杆泵基本参数见表1。

表1 高精密点胶螺杆泵基本参数 Tab.1 Basic parameters of high precision dispensing screw pump mm

本研究模型泵选用橡胶定子的单螺杆泵，使用SolidWorks软件进行模型的构建，先分别创建定子与转子的三维模型，再进行装配。定子与转子之间采用过盈配合，过盈量取0.5 mm，装配后的三维模型如图2所示。

图2 螺杆泵三维模型图Fig.2 Three-dimensional model of screw pump

1.2 流场模型

在流场仿真中假设定子、转子之间存在间隙为0.05 mm。在CFD软件中对螺杆泵的三维模型进行填充处理， 可抽取流体区域。图3所示为高精密点胶螺杆泵的流场模型。内壁面即为转子外表面，外壁面为定子内表面，两侧分别设置为入口与出口。

图3 螺杆泵流场模型图Fig.3 Flow field model of screw pump

1.3 网格划分与边界条件

由于定转子之间的间隙仅为0.05 mm，定转子啮合处的流动复杂，压力变化明显，为了保证仿真的准确性，故对啮合处的网格进行加密处理，也有助于动网格的重构。对模型进行网格划分的结果如图4所示，总单元数为155600，总节点数为495446。仿真转速n=150 r/min，压差Δp=0.1 MPa。入口出口边界条件均设置为压力值，入口压力值为0.1 MPa，出口压力值为入口压力与总压差之和，模型取3个定子螺距，则总压差为0.3 MPa。根据雷诺数的计算，流场模型设置为层流模型，介质胶液为非牛顿流体。

图4 螺杆泵流场网格划分图Fig.4 Grid of flow field of screw pump

2 结构参数对螺杆泵性能的影响

螺杆泵的结构参数对螺杆泵的点胶性能有着重要的影响。本小节主要分析不同的定子螺距和不同的偏心距对螺杆泵的压力、泵内转速、排量V、泄漏量q以及容积效率ηv的影响。

2.1 螺距的影响

设定的定子螺距为6，8，9，10，11，12，14，16，18，20 mm，其他参数以及边界条件均不变。图5～图7分别为螺杆泵流场随螺距变化的压力云图、速度云图和螺杆泵应变云图。

由图5可知，在螺距取值不同时，整体压力分布规律类似，转子在啮合处的压力迅速变化，这会使得一部分的胶液透过间隙从后一个腔室流入前一个腔，即为螺杆泵的内泄漏。在螺距增大的过程中，各个腔室的压力值都在逐步增大，最大压差值逐步增加。

图5 不同螺距流场压力云图Fig.5 Pressure cloud diagram of flow field with different pitch

观察图6可得出，螺杆泵内部腔室中心区域速度较大，靠近边缘区域速度较小；随着螺距不断增加，泵内介质胶液的流速逐渐增大，从性能的角度来说则是泵的排量在逐步增加。由此可知，在泵的设计过程中需要提高到较大排量、较大的增压值时，可通过增加螺距来实现。

图6 不同螺距流场速度云图Fig.6 Velocity cloud diagram of flow field with different pitch

由图7可知，随着螺距的增加，螺杆泵应变也在逐步增大，泵的密封性能得到提高，但波动也更加明显，同时也会使得螺杆泵的摩擦阻力增大，加速泵的磨损，降低泵的寿命。因此，需要对螺距的选择进行合理优化。

图7 不同螺距定子内表面应变云图Fig.7 Strain diagram of inner surface of statorwith different pitch

对高精密点胶螺杆泵的排量V、泄漏量q和容积效率ηv进行分析，结果如图8～图10所示。

从图8和图9可以看出，由于间隙的存在形成了内泄漏，使得实际排量总是低于理论排量，随着螺距的增加，螺杆泵的排量也在增加，并且随着螺距越来越大，泄漏量的增幅也在增大。但是由图10可以看出，

图8 排量随螺距变化曲线Fig.8 Curve of displacement with different pitch

图9 泄漏量随螺距变化曲线Fig.9 Curve of leakage volume with different pitch

图10 容积效率随螺距变化曲线Fig.10 Curve of Volumetric efficiency with different pitch

在螺距为9 mm时， 泵的容积效率最高， 结合上文分析，高精密点胶螺杆泵的螺距最佳取值在6～11 mm之间。

2.2 偏心距的影响

设定的螺杆泵偏心距为0.3， 0.35， 0.4， 0.45，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1 mm，其他参数以及边界条件均不变。图11～图13分别为螺杆泵流场随螺距变化的压力云图、速度云图和螺杆泵应变云图。

由图11可知，偏心距取值逐渐增大时，各个导程内整体压力分布规律类似，随着偏心距的逐渐增大，螺杆泵定转子啮合处压力波动比螺距增大时波动小， 最大压差值随着偏心距增大没有特别大变化。由此可得，偏心距对于螺杆泵流场压力变化影响较小。

图11 不同偏心距流场压力云图Fig.11 Pressure cloud diagram of flow fieldwith different eccentricity

观察图12可得出，螺杆泵内部腔室的胶液流速随着偏心距的增大而不断增大，从性能角度来说即螺杆泵的排量随着偏心距的增大而增大。从数值上来说，当螺杆泵的偏心距为0.3 mm时，胶液速度为0.059 m/s，当螺杆泵偏心距增大到1 mm时，胶液速度达到了0.075 m/s，偏心距的增大可显著提高胶液流速。在设计时若需要较大的排量，可通过适当提高偏心距来满足。

图12 不同偏心距流场速度云图Fig.12 Velocity cloud diagram of flow fieldwith different eccentricity

由图13可知，随着偏心距的增加，螺杆泵应变也在增大，即泵的密封性能提高，但偏心距过大时螺杆泵的摩擦阻力也越大，泵的磨损就越大，会减少泵的寿命，因此需要选择合理的偏心距。

图13 不同偏心距定子内表面应变云图Fig.13 Strain diagram of inner surface of statorwith different eccentricity

对高精密点胶螺杆泵的排量V、泄漏量q和容积效率ηv进行分析，结果如图14～图16所示。

从图14和图15可以看出，随着偏心距的增加，螺杆泵的排量也在增加，并且随着偏心距越来越大，泄漏量的增幅也在增大。但是由图16可以看出在偏心距大于0.5 mm时，泵的容积效率增势越来越平缓，在结合上文分析，偏心距的最佳取值在0.4～0.6 mm之间。

图14 排量随偏心距变化曲线Fig.14 Curve of displacement with different eccentricity

图15 泄漏量随偏心距变化曲线Fig.15 Curve of leakage volume with different eccentricity

图16 容积效率随偏心距变化曲线Fig.16 Curve of volumetric efficiency with different eccentricity

2.3 T/D以及T/e的最优选择范围

单螺杆泵转子直径D、偏心距e和定子螺距T存在一定的匹配关系，当这3个数值保持一定的比值时，单螺杆泵才会具有较高的工作寿命和工作效率，因此引入了T/D和T/e这两个无量纲参数，以便进行单螺杆泵的设计计算。根据螺距以及偏心距对性能影响的分析，给出高精密点胶螺杆泵的T/D以及T/e的最优选择范围：

(2)

3 运行参数对螺杆泵性能的影响

对螺杆泵在单级压差0.1，0.2，0.3 MPa条件下分别选取一系列转速进行仿真分析：30，90，120，150，180，210，240，270，300 r/min，得到相应的实际排量数据并计算出相应的容积效率，如图17和图18所示。

图17 不同压差条件下排量随转速变化曲线Fig.17 Variation curve of displacement with speed under different differential pressure conditions

图18 不同压差条件下容积效率随转速变化曲线Fig.18 Variation curve of volumetric efficiency with speed under different differential pressure conditions

由图17和图18可以看出，转速逐渐增大时，不同压差条件下的排量变化大体相同，容积效率的变化趋势也大体相同。在低转速时压差值大时排量略小一些，转速达到150 r/min后，压差值大排量则越大一些，即压差值越大，在转速逐渐增大时，排量增大越快。相应的，在低转速时压差值大时效率较小，转速达到150 r/min后，压差值大效率略大。从容积效率的整体变化来说，转速在达到120 r/min后曲线呈现下降趋势，所以，高精密点胶螺杆泵的适合的转速为60～180 r/min。

4 结论

(1) 高精密点胶螺杆泵的螺距增大，流场压力增大，胶液速度增大，泵的排量也增大，但是螺距越大，泵的胶液泄漏量就越大，磨损也会加剧，容积效率在螺距为9 mm时达到最大值，所以设计时要选择合理的区间为：6～11 mm；

(2) 精密点胶螺杆泵的偏心距增大，流场压力变化不明显，但胶液速度增大，泵的排量也增大。同样的随着偏心距越大，泄漏量就越大，磨损也会加剧，寿命减短，容效率的增势越加平缓，综合考虑偏心距的合理区间为：0.4～0.6 mm；

(3) 给出了在计算螺杆泵的几何参数的关键参数T/D和T/e的最优取值区间： 1.5≤T/D≤2.75， 15≤T/e≤22.5；

(4) 不同的压差对于泵的性能影响不大，容积效率则在转速达到120 r/min时达到峰值，所以给出高精密点胶螺杆泵的适宜转速区间：60～180 r/min。